浅谈MIMO技术

一、MIMO的定义

MIMO是 Multiple Input Multiple Output 多输入多输出系统，指在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统，在不增加宽带的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。

二、MIMO的发展历史

1908年马可尼就提出用MIMO来抗衰落;
70年代有人提出将MIMO用于通信系统;
1995年Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量；
1996年Foshinia给出了一种多入多出处理算法——对角-贝尔实验室分层空时(D-BLAST)算法；
1998年Tarokh等讨论了用于MIMO的空时码；
1998年Wolniansky等采用垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)算法建立了一个MIMO实验系统
这些工作受到各国学者的极大注意，并使得MIMO技术的研究工作得到了迅速发展。

三、MIMO的优势

1、 MIMO多种模式带来多种增益
• 发送分集增益
提高系统可靠性，不能提升数据速率。
• 波束赋形增益
提高系统有效性，可以提升数据速率。
• 空分复用增益
提高系统有效性，可以提升数据速率。
2、提高频谱效率
• 要求 TD-LTE的下行频谱效率达到5bps/Hz（Rel-10为30bps/Hz）。
• 要求TD-LTE的上行频谱效率达到2.5bps/Hz（Rel-10为15bps/Hz）。

四、 MIMO技术的分类

MIMO技术主要分为三大类：波束赋形、传输分集和空间复用。

波束赋形

波束赋形是利用较小间距的天线阵元之间的相关性（天线间距为0.5-0.65 λ ），通过阵元发射的波之间形成干涉，集中能量于某个（或某些）特定方向上，形成波束，从而实现更大的覆盖和干扰抑制效果。下图为波束赋形的原理图

我们可以这样理解波束赋形，“波束”里的波字可以认为是电磁波，束字的本意是“捆绑”，因此波束的含义是捆绑在一起集中传播的电磁波；而赋形可以简单地理解为“赋予一定的形状”。合起来，波束赋形的意思就是赋予一定形状集中传播的电磁波。我们常见的光也是一种电磁波，灯泡作为一个点光源，发出的光没有方向性，只能不断向四周耗散；而手电筒则可以把光集中到一个方向发射，能量更为聚焦，从而照地更远。

无线基站也是同理，如果天线的信号全向发射的话，这几个手机只能收到有限的信号，大部分能量都浪费掉了；而如果能通过波束赋形把信号聚焦成几个波束，专门指向各个手机发射的话，承载信号的电磁能量就能传播地更远，而且手机收到的信号也就会更强。

根据波束赋形处理位置和方式的不同，可分为数字波束赋形，模拟波束赋形，以及混合波束赋形这三种。
模拟波束赋形，就是通过处理射频信号权值，通过移相器来完成天线相位的调整，处理的位置相对靠后。
模拟波束赋形点是基带处理的通道数量远小于天线单元的数量，因此容量上受到限制，并且天线的赋形完全是靠硬件搭建的，还会受到器件精度的影响，使性能受到一定的制约。

数字波束赋形则在基带模块的时候就进行了天线权值的处理，基带处理的通道数和天线单元的数量相等，因此需要为每路数据配置一套射频链路。数字波束赋形的优点是赋形精度高，实现灵活，天线权值变换响应及时；缺点是基带处理能力要求高，系统复杂，设备体积大，成本较高。


混合波束赋形将数字波束赋形和模拟波束赋形结合起来，使在模拟端可调幅调相的波束赋形，结合基带的数字波束赋形。混合波束赋形数字和模拟融合了两者的优点，基带处理的通道数目明显小于模拟天线单元的数量，复杂度大幅下降，成本降低，系统性能接近全数字波束赋形，非常适用于高频系统。

波束赋形还可以分为单流波束赋形和双流波束赋形。
单流波束赋形（对应TM7）： LTE R8中仅支持基于专用导频的单流波束赋形技术。传输过程中，UE需要通过对专用导频的测量来估计波束赋形后的等效信道，并进行相干检测。为了能够估计波束赋形后传输所经历的信道，基站必须发送一个与数据同时传输的波束赋形参考信号，这个参考信号是用户专用的，对应于用户专用参考信号的传输称作使用天线端口5的传输。
双流波束赋形（对应TM8）：TD-LTE R9中将波束赋形扩展到了双流传输，实现了波束赋形与空间复用技术的结合。为了支持双流波束赋形，LTE R9中定义了新的双端口专用导频（端口7与8），并引入了新的控制信令。在双流赋形中，UE基于对专用导频的测量估计波束赋形后的等效信道，其中Precoding模块并不进行任何预处理操作。

传输分集

传输分集是利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性（天线间距在10λ以上），发射或接收一个数据流，避免单个信道衰落对整个链路的影响，目的是提高链路的质量，即提高通信的质量。
传输分集的代表性技术是空时编码Space Time Coding（STC），空时编码就是将空间域上的发送分集和时间域上的信道编码相结合的联合编码技术，通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使信号在接受端获得分集增益。空时编码(STC)将数据分成多个数据子流在多个天线上同时发射，建立了空间分离和时间分离之间的关系，通过在发射天线间的时域引入编码冗余得到分集增益。其本质在于建立了空间分离和时间分离之间的关系，达到各个天线之间的相互保护的目的（也就是说各个天线发送的信号独立或者相关性很小），降低了同一个符号在所有天线上发生深度衰落的机会，降低平均误码率。空时编码（STC）主要分为空时格码（STTC）和空时分组码（STBC）。
空时格码（STTC：Space-Time Trellis Code ）将发送分集与网格编码调制相结合的联合编码方式。所获得的编码方案在不牺牲系统带宽的情况下获得满分集增益和高编码增益，进而提高传输质量。空时格码的译码采用最大似然译码器，通常采用Viterbi译码器进行最大似然译码。采用STTC能同时得到编码增益和分集增益，虽然它能够提供比现在系统高3-4倍的频谱效率，但是其译码复杂度随着状态数的增加而指数增长。
空时分组码（STBC：Space-Time Block Code）是利用正交设计的原理分配各发射天线上的发射信号格式，实际上是一种空间域和时间域联合的正交分组编码方式。空时分组码可以使接收机解码后获得满分集增益，且保证译码运算仅仅是简单的线性合并，使译码复杂度大大降低。

空间复用

空间复用是利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，向一个终端/基站并行发射多个数据流，以提高链路容量。空间复用技术是在不同的天线，同一的频点上传输多个独立的数据流，接收端必须使用不少于数据流数目的接收天线才能译码正确，这样在频点资源一定的情况下能提高整个系统的吞吐量。

传输分集和空间复用的比较

传输分集
• 是在多条独立路径上传输相同的数据
• 接收端通过分集合并技术
• 抵抗信道衰落，降低误码率
• 提高系统的可靠性，不能提高数据速率

空间复用
• 是在多条独立路径上传输不同数据
• 接收端要进行多用户检测与分离
• 充分利用系统资源，提高系统容量
• 提高系统的有效性，可以提高数据速率

四、MIMO的发展历程

五、LTE中MIMO的应用

主要有以下8中模式

六、5G Massive MIMO

基本概念

大规模天线也称Massive MIMO天线。Massive MIMO天线相对于传统基站天线或者传统一体化有源天线，其形态差异为阵列数量非常大、单元具备独立收发能力。相当于更多天线单元实现同时收发数据。高频Massive MIMO天线用于热点地区、室内容量和无线回传。高低频混合组网，实现最佳频谱利用。

Massive MIMO的优势

• 多波束能力，可通过多用户空分复用增益提升网络容量( MU-MIMO ) ;
• 大阵列Beam forming ,通过算法抑制用户间干扰,大幅提升单用户SINR ;
• 3D-beamforming特性 ,实现多种场景的覆盖要求;
• 多通道 上行接收,可最大化提升上行接收增益。

Massive MIMO与大规模MIMO性能比较

大规模天线技术的研究内容

1、应用场景与信道建模
大规模天线技术的潜在应用场景主要包括:宏覆盖、高层建筑、异构网络、室内外热点以及无线回传链路等。此外，以分布式天线的形式构建大规模天线系统也可能成为该技术的应用场景之一。在需要广域覆盖的场景，大规模天线技术可以利用现有频段;在热点覆盖或回传链路等场景，则可以考虑使用更高频段。
2、传输与检测技术
大规模天线的性能增益主要是通过大量天线阵元形成的多用户信道间的准正交特性保证的。然而，在实际的信道条件中，由于设备.与传播环境中存在诸多非理想因素，为了获得稳定的多用户传输增益，仍然需要依赖下行发送与上行接收算法的设计来有效地抑制用户间乃至小区间的同道干扰，而传输与检测算法的计算复杂度则直接与天线阵列规模和用户数相关。
3、信道状态信息测量与反馈技术
信道状态信息测量、反馈及参考信号设计等对于MIMO技术的应用具有重要意义。为了更好地平衡信道状态信息测量开销与精度，除了传统的基于码本的隐式反馈和基于信道互易性的反馈机制之外，诸如分级CSI测量与反馈.基于Kronecker运算的CSI测量与反馈、压缩感知以及预体验式等新型反馈机制也值得考虑。
4、覆盖增强技术以及高速移动解决方案
天线规模的扩展对于业务信道的覆盖将带来巨大的增益，但是对于需要有效覆盖全小区内所有终端的广播信道而言，则会带来诸多不利影响。在这种情况下，类似内外双环波束扫描的接入技术能够解决窄波束的广覆盖问题。除此之外，大规模天线还需要考虑在高速移动场景下，如何实现信号的可靠和高速率传输问题。对信道状态信息获取依赖度较低的波束跟踪和波束拓宽技术，可以有效利用大规模天线的阵列增益提升数据传输可靠性和传输速率。
5、多用户调度与资源管理技术
大规模天线为无线接入网络提供了更精细的空间粒度以及更多的空间自由度，因此基于大规模天线的多用户调度技术、业务负载均衡技术以及资源管理技术将获得可观的性能增益。
6、大规模有源阵列天线技术
大规模天线前端系统从结构上可分为数字阵和数模混合阵两大类。出于复杂度、功耗和成本的考虑，数模混合的阵列架构在高频段将具有很大的应用潜力。大规模有源阵列天线的构架、高效/高可靠/小型化/低成本/模块化收发组件、高精度监测与校准方案等关键技术将直接影响到大规模天线技术在实际应用环境中的性能与效率，并将成为直接关系到大规模天线技术能否最终进入实用化阶段的关键环节。
7、预编码技术
预编码技术是在下行链路的发送端利用 CSI 对发送信号进行预处理的技术。假设发送端能获得完整的信道状态信息，在发送端通过对信号进行预处理，可以预先消除发送信号通过无线信道所受到的干扰，包括多根发送天线上传输数据流之间的天线间干扰，以及多个用户的信号在相 同时间- 频率资源上传输而产生的多用户干扰，从而达到保证通信可靠性，提高系统性能的目的。预编码技术的编码方式主要有ZF预编码、MF预编码、MRC预编码、MMSE预编码。
大规模天线技术为系统频谱效率、用户体验、传输可靠性的提升提供了重要保证，同时也为异构化、密集化的网络部署环境提供了灵活的干扰控制与协调手段。随着一系列关键技术的突破以及器件、天线等技术的进一步发展，大规模天线技术必将在5G系统中发挥重大作用。

七、MIMO技术未来的发展

关于未来大规模天线的发展方向，因为5G NR正值商业化进程，根据实际的部署场景要对不同的方面实现进一步增强，这些方面包括以下部分：
• 考虑 到高速车辆的场景（例如UE在高速功率上移动）进 一步降低时延和开销，以及降低波束失败事件的发生概率；
• Rel 16虽然研究了多个面板的上行波束选择的增强，提供了一些潜在用于提升上行覆盖的方案，但没有足够的时间来完成标准化工作；
• 除了下行数 据信道有多个发送点的好处以外，还可以包含上行密集 部署在宏小区或者异构网络部署场景中小区间的多点发 送；
• 进一步增强上行导频SRS提升容量和覆盖；
• 在Rel 16增强的Type II CSI的基础上，进一步增强低频FDD部署下的多发送点/多面板的CSI设计以及更 好地使用信道统计的角度和时延的部分互易性用于联合传输。
参考文章：
"分集"与"复用"的辨析
5G怎样实现波束赋形？
5G无线构架白皮书
面向5G的大规模MIMO关键技术研究分析
注：如果哪块写的不准确欢迎提意见！